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Panasonic
Panasonic's New Residential PEFC Cogeneration System
The new residential PEFC cogeneration system, developed by Panasonic
(Matsushita Home Appliance Corporation) is specified for mass production.
The power generation efficiency and the durability of the cogeneration
system have reached practical levels.
The manufacturing cost of the cogeneration system is considerably
reduced.
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Power
generation efficiency
39% (LHV) at 750W (generation output power)
38% (LHV) or higher over a range from 500 W to 1kW
34% at 300 W
Most of the residential fuel cell systems are operated within
a range from 500W to 1kW in Japan. This was confirmed in the
demonstration test.
Endurance
40,000 hours or longerStart/stop operations: 4,000 times |
The target manufacturing
cost of the cogeneration system is 1,2000,000 yen (x 1/about 100 =
USD) in 2010, and 600,000 yen in 2015.
It is of course that to reduce the cost to below 600,000 yen, many
technology breakthroughs are needed in the components of electrolyte,
reformer and others, and further remarkable reduction of use of platinum
(Pt) catalyst is also essential, a company's key man said.
Mass production of the cogeneration systems will start from June this
year in the plant at Kusatsu city, Shiga prefecture. The full-scale
business development of the products will start from 2009.
The product will be tested in the residential FC cogeneration system
large-scale demonstration test project, which now progresses under
control of NEDO. The demonstration test project started from 2005
and will end this year (2008).
New Technologies:
The following technologies, which have been developed anew, support
the new PEFC cogeneration system.
a) Highly durable MEA cell stack technology
b) Fuel processing technology - ensuring high power generation
efficiency and stable operation over a wide range -
c) Inverter technology - low loss, operable in soft-switching
mode over entire range
d) Parts integration (grouped into blocks)
The inverter technology has successfully eliminated the following
disadvantage. The efficiency of the fuel processor becomes low with
decrease of the output power. The power generation efficiency of the
system is the highest in the rated condition, and becomes low with
lowering of the output voltage.
The inventions that were created in the development and filed are:
165 = number of domestic patent applications
38 = number of foreign patent applications
a) High endurance MEA cell stack technology
Panaconic successfully discovered the causes for deteriorating the
cell stack. The causes are:
1) Breakage of electrolyte membrane
2) Deterioration of catalyst ability
3) Clogging of passages for generated water
Panasonic reconsidered the materials of the electrolyte membrane,
catalyst, etc., design of gas passage, fastening structure, etc.,
and operation conditions on the basis of the results of analyzing
the cell stack deterioration mechanism
The result was that the durability of 40,000 hours was achieved.
The figure of 40,000 hours of the durbility was predicted by using
the acceleration test method, which was derived from the cell stack
deterioration mechanism analysis.
b) Fuel processing technology
To secure system reliability, it is essential to stably control the
fuel processor.
Hydrogen is generated through the catalyst reaction. Accordingly,
designers must deal with a variety of variable factors, for example,
flow rates of city gas, steam and air, reformer temperature, conversion
part temperature, and selective oxidizing part temperature.
In design, the simulation technique involving additionally catalyst
reaction was fully utilized. As a result, hydrogen could be stably
generated even under conditions that those various factors were varied
over a wide range. The reformer part, the conversion part, and the
selective oxidizing part were each constructed in integral form. This
led to thermal loss reduction and high power generation efficiency.
c) Inverter technology
The inverter mainly includes a boost converter and a grid connection
inverter. The boost inverter boosts low voltage of the DC power to
high voltage, and the grid connection inverter converts the DC output
power to 200V AC power, coupled to the grid power system. The power
control technology, cultivated in developing the large household electrical
appliances, such as IH (induction heater), was applied to the boost
converter, enabling it to be operable in a soft-switching mode over
its entire range. This technology remarkably reduced the thermal loss
of the power transistor and succeeded in increasing the efficiency
in the practical range of 300 to 750W.
d) Parts integration
Various parts, including separator, piping, and fuel processing mechanism,
were integrated or grouped into block.
This approach greatly contributed to the cost reduction.
The technology is essential in mass-producing the fuel cell systems.
Sources:
1) Panasonic
Press release
2) Tech-On -1,
-2,
-3,
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Panasonic
Panasonic's New Residential PEFC Cogeneration System
パナソニック（松下ホームアプライアンス社）の新型の家庭用燃料電池システムは量産仕様となっているようであり、発電効率と耐久性が商品レベルまで達している。また、そのコストも大幅に引き下げられている。
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Power
generation efficiency
39% (LHV) at 750W (generation output power)
38% (LHV) or higher over a range from 500 W to 1kW
34% at 300 W
Most of the residential fuel cell systems are operated within
a range from 500W to 1kW in Japan. This was confirmed in the
demonstration test.
Endurance
40,000 hours or longerStart/stop operations: 4,000 times |
製造コストは、\120万円
in 2010 そして\60万円in 2015を目標としているとのこと。\60万円まで、価格を下げるには、Pt catalyst の使用量の大幅な削減、電解質、改質器などの分野で革新的な技術の開発が必要とのこと。
この家庭用燃料電池システムは、滋賀県草津市のパナソニックの工場で本年6月より生産を開始する。この製品の本格的な事業展開は、2009年度からとなる。
この新機種は現在進行中である家庭用燃料電池の大規模実証試験projectでのtestに使用する。
家庭用燃料電池の大規模実証試験はNEDO主導で２００５年から始まり、今年（２００８）で終わる。
New Technologies:
この新製品の開発にあたり、以下の技術が開発された。
a）高耐久MEA・セルスタック技術
b）高効率で、広い範囲で安定動作が可能な燃料処理技術
c）全域ソフトスイッチング昇圧低損失インバータ技術
d) 部品の統合化（ブロック化）
インバータ技術c)
により以下のような不都合がなくなった。
燃料処理機の効率が低出力側ほど低く、また、インバータ効率も低出力側ほど低かった。このため、システムの発電効率は定格時がもっとも高く、低出力になるほど効率が低くなる。
開発に伴い発生した発明とその特許出願は以下の通りである。
国内出願165件
海外出願38件
a) 高耐久MEA・セルスタック技術
セルスタックの劣化が以下の三点を原因とすることを突き止めた。
(1)電解質膜の破壊
(2)触媒の能力低下
(3)生成した水のつまり
この劣化メカニズムの解析結果を踏まえて、電解質膜、触媒などの材料、セパレータのガス流路、締結構造などの設計、および運転条件を見直した。結果として、40,000時間の耐久性を得た。
40,000時間の耐久性は劣化メカニズム解析から導き出した加速試験法により予測した。
b) 高効率、広範囲で安定動作が可能な燃料処理技術
システム信頼性の確保には燃料処理機の安定制御が必須となる。
触媒反応で水素を生成させるので、原料の都市ガス、反応に供する水蒸気や空気の流量、改質部温度、変成部温度、選択酸化部温度など非常に多くの変動因子に対処しなければならない。
触媒反応も取り入れたシミュレーション技術を駆使した設計で、これらのたくさんの因子をそれぞれ、広い幅で変動させても、安定した水素生成を可能にした。
また、改質部、変成部、選択酸化部を一体構成化した。こうすることで熱損失を低減させ、高効率化を実現することが出来た。
c) 全域ソフトスイッチング昇圧低損失インバータ技術
インバータは昇圧コンバータと系統連携インバータとから構成される。
昇圧コンバータは直流／低電圧を高電圧化し、系統連携インバータは直流出力を交流200Vに変換し、系統に連携する。
IHなどの白物家電インバータで培った電力制御技術を、昇圧コンバータ部に応用し、全域でソフトスイッチングを可能にした。これにより、パワートランジスターの熱ロスを大幅に低減でき、実用域、特に300〜750W出力域で高効率化することが出来た。
d) 部品の統合化（ブロック化）を行った
Separator, 配管、燃料処理機構を含めて種々の部分で統合化を行った。これがコストダウンに大きく貢献した。今後の量産化には必須な技術となる。
Sources:
1) Panasonic
Press release
2) Tech-On -1,
-2,
-3,
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